Brilhou em filmes como A Noite, de 1961, O Eclipse, de 1962, ou Deserto Vermelho, de 1964, todos de Michelangelo Antonioni - símbolo do movimento neo-realista italiano - e foi a doença de Alzheimer que a afastou da vida pública há mais de 20 anos, em 2001. Atriz de mão cheia em registo dramático, mas também em comédia, revelou-se cameleónica nos vários papéis que abraçou no Teatro e no Cinema, afastando de lado a ideia de ser apenas mais uma "menina bonita". O que também era, como as fotografias e as memórias de quem acompanhou a sua carreira mostram.
Nascida em Roma, estudou arte dramática na Accademia dell'Arte Drammatica, e a primeira vez que pisou um palco foi no Teatro, em 1956, com a peça Sei storie da ricordare. Em 1957 juntou-se à Teatro Nuovo di Milano de Antonioni, e no ano seguinte revelou-se no cinema com Le dritte de Mario Amendola.
Em O Eclipse, eternizou um dos momentos mais belos e românticos do cinema italiano, num beijo fugaz a Alain Delon, outro ícone na época. Em 1995 recebeu um Leão de Ouro pela sua carreira no Festival de Veneza, ano em que casou com o guionista Roberto Russo, 16 anos mais novo. Vítima da doença que a traiu, Vitti, que na verdade se chamava Maria Luisa Ceciarelli, morreu aos 90 anos.